一种拼接光波导结构及其制备方法与流程

本发明涉及光信号处理技术领域，尤其涉及一种拼接光波导结构及其制备方法。

背景技术：

随着光通讯，光传输的普及，传统的微光学器件正由集成光学、集成光电器件所代替。在微波技术领域，信号带宽日益扩大。受限于电子带宽瓶颈，在电域中进行超高宽带信号处理非常困难，微波信号的光域信号处理技术受到日益重视和广泛研究。随着数据率的增长，在长距离信息传输中，光纤已经取代了铜线，因为更高速的信号几乎不会衰减。微芯片和外界之间的超高速电信号被光信号取代。

光波导是光电集成系统中的重要器件。在大尺寸器件的制造过程中，通常光刻机的最大曝光视场达不到制作大尺寸器件的要求。由于光刻机最大曝光视场的限制，光刻不能通过一次曝光将大尺寸器件的完整图形转移到晶圆片上，需要采用拼接曝光的方式进行光刻工艺制作。仅依靠光刻机的精确定位对图形进行拼接，图形拼接处可能产生变形、不连贯、线条变窄等图形缺陷问题，严重影响工艺制作图形质量。

拼接光波导出现的问题是拼接处光波导的宽度可能会出现突变，拼接光波导两侧的波导之间可能存在错位，上述的问题会导致拼接光波导拼接处的插入损耗变大。

现在的拼接技术研究集中在两个方面，第一方面是针对电子束光刻曝光设备的拼接技术研究，优化设备的不用掩模版的直写方式来降低两次直写之间的拼接错位，拼接精度目前是行业内最好的。但是电子束光刻曝光受限于加工产能，目前只是应用到科研中，不可能用于大生产上。第二方面是一些科研单位研究过拼接光刻曝光的技术，主要从线宽补偿方面做了初步研究，针对的不是光波导的拼接，没有研究拼接错位的影响和改进方案。

因此，本领域需要一种能有效地降低拼接光波导拼接处的插入损耗的拼接光波导结构及其制备方法。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的问题，本发明的一个实施例提供了一种拼接光刻方法，包括：

确定第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形，所述第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形具有重叠区域和拼接对准监控标记；

进行所述第一拼接曝光图形的光刻曝光；

利用拼接对准监控标记进行所述第二拼接曝光图形的光刻曝光；以及

进行显影。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括在所述拼接光刻前，进行衬底图形的光刻和刻蚀加工，在衬底上形成衬底对准监控标记。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括确定第一拼接曝光图形相对衬底图形的第一补偿值。

在本发明的一个实施例中，确定第一拼接曝光图形相对衬底图形的第一补偿值包括显影后测量所述第一拼接曝光图形和衬底之间的对准监控标记，以获取第一拼接曝光图形和衬底图形之间的第一对准信息，基于所述第一对准信息判断第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差，获得第一补偿值。

在本发明的一个实施例中，进行所述第一拼接曝光图形的光刻曝光包括根据所述第一拼接曝光图形和衬底图形之间的第一补偿值进行所述第一拼接曝光图形的光刻曝光。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括确定第二拼接曝光图形相对第一拼接曝光图形的第二补偿值。

在本发明的一个实施例中，确定第二拼接曝光图形相对第一拼接曝光图形的第二补偿值包括显影后测量所述拼接对准监控标记，以获取所述第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形之间的第二对准信息，基于所述第二对准信息判断所述第二拼接曝光图形与第一拼接曝光图形的对准偏差，获得第二补偿值。

在本发明的一个实施例中，进行所述第二拼接曝光图形的光刻曝光包括根据所述第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形之间的第二补偿值进行所述第二拼接曝光图形的光刻曝光。

本发明的一个实施例提供了一种拼接光波导结构，包括：

第一拼接曝光图形的非重叠区域部分，包括第一光波导结构；

第二拼接曝光图形的非重叠区域部分，包括第二光波导结构；以及

第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分，包括，第二拼接曝光图形的第三光波导结构、第一拼接曝光图形的第四光波导结构和拼接对准监控标记。

在本发明的一个实施例中，所述第一拼接曝光图形包括衬底对准监控标记，所述衬底对准监控标记是回形结构，其中外部方框为衬底光刻和刻蚀过程中形成的对准标记，而内部方框是在拼接光刻过程中形成的对准标记。

在本发明的一个实施例中，所述拼接对准监控标记是回形结构，其中外部方框为在第一拼接曝光图形中未被曝光的部分，而内部的较小方框是在第二拼接曝光图形中被曝光的部分

在本发明的一个实施例中，第三光波导结构和第四光波导结构部分重叠。

在本发明的一个实施例中，第三光波导结构和第四光波导结构完全重叠。

在本发明的一个实施例中，第三光波导结构和第四光波导结构间隔开特定距离。

在本发明的一个实施例中，该方法还包括在所述第三光波导结构和第四光波导结构间隔位置形成的侧墙。

在本发明的一个实施例中，第二拼接曝光图形的第三光波导结构和第一拼接曝光图形的第四光波导结构具有线宽补偿。

拼接光波导出现的问题是拼接处光波导的宽度可能会出现突变，拼接光波导两侧的波导之间可能存在错位，上述的问题会导致拼接光波导拼接处的插入损耗变大。本发明的拼接光波导针对不同的光波导结构设计合适的拼接光波导衔接处结构，包括突变的方形补偿、锥形补偿、光波导重叠、光波导断开一段距离、增加特殊的拼接处对准监控标记和特定的对准监控标记摆放等结构，可以有效地降低拼接光波导拼接处的插入损耗。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构100的俯视示意图。

图2至图5示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构的制作过程的俯视示意图。

图6示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构的制作过程的流程图。

图7示出根据本发明的一个实施例的第一补偿值和第二补偿值的确定过程的流程图。

图8示出根据本发明的一个实施例的方形重叠区域波导结构800的俯视示意图。

图9示出根据本发明的一个实施例的曝光图形拼接的重叠区的光波导间隔开特定距离的波导结构900的俯视示意图。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

针对拼接光波导的拼接处可能出现宽度突变、错位、变形等问题，在本发明的不同实施例中，根据不同的光波导结构，例如，浅脊型、低位脊型、台阶型等，采用不同的宽度补偿结构。针对拼接光波导的拼接处可能出现拼接波导错位问题，主要的措施包括：采用增加特殊的拼接对准结构和特定的对准结构摆放方式等方法减小拼接处错位的量级；通过线宽补偿结构对拼接光波导拼接处进行优化，将错位的影响降到最低。

图1示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构100的版图设计俯视示意图。在图1所示的实施例中，拼接光波导结构100可包括第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11、第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21以及第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31。

在第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11中，包括具有第一拼接曝光图形的第一光波导结构12和衬底对准监控标记15。第一光波导结构12一般是标准的光波导结构。衬底对准监控标记15用于第一曝光图形与衬底图形的对准监控。如图1所示，衬底对准监控标记15是回形结构，其中外部较大方框为衬底光刻和刻蚀过程中形成的对准标记，而内部的较小方框是在拼接光刻过程中形成的对准标记，通过测量两个方框的相对位置关系，可以知道两次曝光图形之间的对准偏差，包括上下左右的位移偏差和角度旋转偏差。

在第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21中，包括第二拼接曝光图形的第二光波导结构22。第二光波导结构22一般是标准的光波导结构。

在第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31中，包括第二拼接曝光图形的第三光波导结构32、第一拼接曝光图形的第四光波导结构33、第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的光波导重叠部分34以及拼接对准监控标记35。拼接对准监控标记35用于第一曝光图形与第二曝光图形的对准监控。例如，拼接对准监控标记35可以是回形结构，其中外部较大方框为在第一拼接曝光图形中未被曝光的部分，而内部的较小方框是在第二拼接曝光图形中被曝光的部分，拼接曝光完成后，通过测量两个方框的相对位置关系，可以知道两次曝光图形之间的对准偏差，包括上下左右的位移偏差和角度旋转偏差。

图1所示的拼接光波导结构100，在重叠区域部分31中，第二拼接曝光图形的第三光波导结构32和第一拼接曝光图形的第四光波导结构33增加光波导拼接线宽补偿。换言之，第四光波导结构33包括与第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11相同的光波导结构和与第三光波导结构32重叠的光波导结构，其中与第三光波导结构重叠的光波导是渐变的光波导，与非渐变的光波导交界的位置处的宽度大于标准波导的宽度，并且第四光波导结构33宽度越接近第三光波导结构32的光波导渐变起始点位置的波导宽度越大。第三光波导结构32包括第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21相同的光波导结构和与第四光波导结构33重叠的光波导结构，其中与第四光波导结构重叠的光波导是渐变的光波导，与非渐变的光波导交界的位置处的宽度大于标准波导的宽度，并且第三光波导结构32宽度越接近第四光波导结构33的光波导渐变起始点位置的波导宽度越大。。另外，在重叠区域部分31中，增加按照最佳拼接对准方法放置的拼接对准监控标记35。

通过对拼接对准监控标记35的测量，可以知道两次曝光图形之间的对准偏差，包括上下左右的位移偏差和角度旋转偏差。对于拼接重叠区域大于2mm的情况，在重叠区域左上、右上、左下和右下摆放四个拼接对准监控结构可以满足标准的应用，当拼接重叠区域小于2mm时，除去上述四个对准监控结构外，在距离顶部三分之一高度和距离拼接重叠区域右侧边界三分之一宽度处，以及距离顶部三分之二高度和距离拼接重叠区域左侧边界三分之一宽度处，各增加一个对准监控结构，可以得到更准确的补偿值。

下面结合图2至图6具体描述根据本发明的一个实施例的拼接光波导结构的制作过程，其中图2至图5示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构的制作过程的俯视示意图，图6示出根据本发明的实施例的拼接光波导结构的制作过程的流程图。

首先，可选地，在步骤610，获取所使用的光刻曝光图形拼接的cmos工艺平台的光刻曝光参数数据，包括线宽变化、拼接对准水平等信息。

可选地，在步骤620，基于已经获取的cmos工艺平台的拼接对准水平，根据已经有的补偿模型，仿真补偿结构和算法。

可选地，在步骤630，确定第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形。通过步骤630可设计拼接光波导的结构，第二拼接曝光图形的第三光波导结构32和第一拼接曝光图形的第四光波导结构33增加光波导拼接线宽补偿，并且，在重叠区域部分31中，增加按照最佳拼接对准方法放置的拼接对准监控标记35。

可选地，在步骤640，在拼接光波导加工前，利用第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形分别进行衬底图形的光刻。如图2所示，在步骤630中的第一拼接曝光图形种可选的包括衬底对准监控标记15。在本发明的其它实施例中，也可以省略该衬底对准监控标记15，该步的光刻是衬底的第一次光刻。

在步骤650，基于步骤640的第一次光刻结果的检测，确定第一拼接曝光图形相对衬底图形的第一补偿值、确定第二拼接曝光图形相对第一拼接曝光图形的第二补偿值。在本发明的具体实施例中，可通过如图7的循环过程确定第一补偿值和第二补偿值。

图7示出根据本发明的一个实施例的第一补偿值和第二补偿值的确定过程的流程图。首先，在步骤710，可进行第一拼接曝光图形的光刻曝光，再进行第二拼接曝光图形的光刻曝光，曝光后统一进行显影。在步骤720，通过对衬底对准监控标记15的测量，获取第一拼接曝光图形和衬底图形之间的第一对准信息；并通过对拼接对准监控标记35的测量，获得第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形之间的第二对准信息。通过第一对准信息可判断第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差，包括上下左右的位移偏差和角度旋转偏差；通过第二对准信息可判断第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形的对准偏差，包括上下左右的位移偏差和角度旋转偏差。在步骤730，基于第一对准信息和第二对准信息，可获得第一补偿值和第二补偿值。例如第一补偿值可以是沿对准偏差相反的方向移动或转动第一曝光图形的特定量值，第二补偿值可以是沿对准偏差相反的方向移动或转动第二曝光图形的特定量值。在步骤740，基于第一对准信息，判断第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差是否小于阈值；基于第二对准信息，判断第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形的对准偏差是否小于阈值。如果第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差小于阈值，并且第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形的对准偏差小于阈值，则流程结束，并将步骤730获取的第一补偿值和第二补偿值作为最终的第一补偿值和第二补偿值。

如果第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差大于或等于阈值或者第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形的对准偏差大于或等于阈值，则返回步骤710，根据第一补偿值重新完成第一拼接曝光图形的光刻曝光，再根据第二补偿值重新完成第二拼接曝光图形的光刻曝光，曝光后统一进行显影。接下来，进行步骤720至740。通过多次重复步骤710至步骤740，第一拼接曝光图形和衬底图形的对准偏差、第二拼接曝光图形和第一拼接曝光图形的对准偏差不断缩小，最终均小于阈值，由此得到最终的第一补偿值和第二补偿值。

返回图6，在步骤660，根据第一补偿值完成第一拼接曝光图形的最终光刻曝光，如图3所示；根据第二补偿值完成第二拼接曝光图形的最终光刻曝光，如图4所示；曝光后统一进行显影，显影后的结果如图5所示。

可选地，在步骤670，完成第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的加工，图形对准信息满足加工需求后进行后续的光波导刻蚀工艺加工。

在本发明的一些实施例中，根据不同的光波导结构，曝光图形拼接的重叠区域的宽度可以做调整。

图8示出根据本发明的一个实施例的方形重叠区域波导结构800的俯视示意图。

在图8所示的实施例中，拼接光波导结构800可包括第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11、第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21以及第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31。

在第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11中，包括具有第一拼接曝光图形的第一光波导结构12和衬底对准监控标记15。第一光波导结构12一般是标准的光波导结构。衬底对准监控标记15用于第一曝光图形与衬底图形的对准监控。

在第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21中，包括第二拼接曝光图形的第二光波导结构22。第二光波导结构22一般是标准的光波导结构。

在第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31中，包括第二拼接曝光图形的第三光波导结构32、第一拼接曝光图形的第四光波导结构33、第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的光波导重叠部分34以及拼接对准监控标记35。拼接对准监控标记35用于第一曝光图形与第二曝光图形的对准监控。在图8所示的实施例中，第三光波导结构32与第四光波导结构33完全重叠，构成光波导重叠部分34。

在图8所示的拼接光波导结构800中，在重叠区域部分31中，第二拼接曝光图形的第三光波导结构32和第一拼接曝光图形的第四光波导结构33为矩形，矩形宽度d大于波导12和22的宽度。

图9示出根据本发明的一个实施例的曝光图形拼接的重叠区的光波导间隔开特定距离的波导结构900的俯视示意图。

在图9所示的实施例中，拼接光波导结构900可包括第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11、第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21以及第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31。

在第一拼接曝光图形的非重叠区域部分11中，包括具有第一拼接曝光图形的第一光波导结构12和衬底对准监控标记15。第一光波导结构12一般是标准的光波导结构。衬底对准监控标记15用于第一曝光图形与衬底图形的对准监控。

在第二拼接曝光图形的非重叠区域部分21中，包括第二拼接曝光图形的第二光波导结构22。第二光波导结构22一般是标准的光波导结构。

在第一拼接曝光图形和第二拼接曝光图形的重叠区域部分31中，包括第二拼接曝光图形的第三光波导结构32、第一拼接曝光图形的第四光波导结构33以及拼接对准监控标记35。拼接对准监控标记35用于第一曝光图形与第二曝光图形的对准监控。第三光波导结构32和第四光波导结构33之间间隔开特定距离s。在本发明的具体实施例中，距离s在0.05微米至2微米的范围内。在本发明的优选实施例中，距离s约为0.2微米。在完成光波导刻蚀工艺加工后，两个波导衔接处有间隙，波导两侧形成侧墙。

虽然本发明的上述实施例公开的拼接曝光均以两次拼接曝光为例进行描述，但是本领域的技术人员应该能够理解，本发明的公开的拼接曝光工艺可应用于三次或三次以上的拼接曝光。例如，拼接光波导结构的版图可包含三个或三个以上的拼接曝光图形。第一拼接曝光图形与第二拼接曝光图形之间具有重叠区域，第二拼接曝光图形与第三拼接曝光图形之间具有重叠区域，第三拼接曝光图形与第四拼接曝光图形之间具有重叠区域，以此类推。

尽管上文描述了本发明的多个实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对各个实施例做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。